Contexte technologique Propriétés cristallographiques Complémentarité des techniques spectroscopiques dans l’étude de couches diélectriques à haute permittivité pour la microélectronique. F. Pierre, P. Holliger, T. Lardin, A.M. Papon, O. Renault, N. Rochat, M. Burdin, G. Rolland, D. Rouchon, S. Marthon (DTS / SCPC), D. Blin (DTS / STME), D. Jalabert (DRFMC/SP2M). CEA-Grenoble –- 17, Avenue des Martyrs - 38054 Grenoble cedex 9. Contexte technologique La réduction sans cesse croissante des dimensions en microélectronique, pour une plus grande intégration dans les dispositifs, conduit à des choix nouveaux tant du point de vue des méthodes d’élaboration que des matériaux. Dans le contexte du transistor CMOS il s’agit même d’une rupture technologique: l’oxyde de silicium ne peut plus être utilisé comme isolant de grille car la diminution de son épaisseur entraîne une augmentation de la conduction tunnel. Ainsi s’impose le choix d’une nouvelle génération de matériaux dits high-k, dont le compromis épaisseur-permittivité permet une diminution du courant de fuite. Parmi eux, le HfO2 offre une bonne alternative comme isolant de grille, de par sa valeur de permittivité ( > 20 ) et sa compatibilité chimique avec le silicium. Depuis plusieurs années, le LETI se consacre à l’étude de dépôts réalisés par ALD (Atomic Layer Deposition), méthode adaptée à la réalisation de couches ultra minces (quelques nm) sur de grandes surfaces, double exigence imposée par le contexte industriel. Dans les étapes de mises au point, la caractérisation joue un rôle primordial. Parmi les résultats obtenus, ceux présentés ici correspondent aux quatre thématiques les plus étudiées: le suivi de croissance, la profilométrie, les propriétés d’interface et cristallographiques. Transistor CMOS Si OH O Cl HfO2 Hf + HCl  + HfCl4 + H2O Méthode ALD: Cycles alternés d’introduction et purge des réactifs HfCl4 et H2O à partir d’une surface préparée . drain source grille Isolant de grille SiO2 HfO2 Suivi de croissance TXRF (Total X-Ray Fluorescence) TXRF Rigaku Adsorption maximale au premier cycle. Hf Cl RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) influence de la préparation de surface comportement identique pour le chlore Bon accord TXRF-RBS Propriétés cristallographiques GIXRD Glancing Incidence X-Ray Diffraction ATR / FTIR Attenuated Total Reflection / Fourier Transformed Infrared Spectroscopy Influence de la température de dépôt Echantillon Source Fentes de Sollers Monochromateur Détecteur Diffractomètre Panalytical X’Pert MRD From FTIR spectrometer Grid polarizer 60° Ge prism Sample Pressure tip Micrometric screw To HgCdTe detector 66° Bruker IFS55 300°C: couche amorphe ou à grains fins (< 2 nm). 350°C: couche cristallisée phase orthorhombique prépondérante. 300°C: pic large entre 650 et 800 cm-1 HfO2 amorphe. 350°C: pics fins à 675 et 775 cm-1 HfO2 cristallin. Propriétés d’interface métrologie Liaisons chimiques HfO2 5 nm à 350°C/ Si O2 SC2 0.3 nm / Si HfO2 1 nm / Si O2 0.7 nm / Si Hf 4f q=75° HfOxSiy I=8,0% 0,7 eV q=15° HfO2 17.15 eV I=3,6% HfSiO4 5 nm HfO2 AR-XPS : 1 nm HfO2/0.7 nm SiO2/Si Si3+ d=+2.56 eV Si4+ Si 2p Avant dépôt : 0.7 nm SiO2 sur Si Al Ka Si4+ SiOHf d=+3.08 eV Si 2p Après dépôt de HfO2 Al Ka Si0 (substrate) e- Spectromètre q2 hn=1486.6 eV q1 d1 d2 film Sensibilité en profondeur maximum surface maximum XPS S probe SSI TEM ARXPS 0.55 nm SiO2 tSiO2=0.61±0.14 nm Si0 (substrat) SiOx SiO2 Si 2p Si0 Si1+ Si2+ Si3+ Si4+ hn=160 eV Si-O-Hf Intensity (a. u.) hn=160 eV l’analyse des niveaux Hf 4f et Si 2p montre l’existence de liaisons de type HfOxSiy à l’interface. apport du rayonnement synchrotron (LURE). Bon accord TEM – ARXPS sur l’épaisseur de la couche interfaciale Profilométrie Influence des recuits post-dépôt ERDA Elastic Recoil Detection Analysis Accélérateur VDG - HVEE 2.5 MeV SIMS Cameca IMS5F faisceau Cs+ ( 1keV , 50° ). analyse en mode MCs+ ou MCs2+ résolution en profondeur ~ 1 nm. quantification à l’aide de témoins implantés pour détermination du facteur RSF: Hf dans Si, Cl dans Si et HfO2. faisceau de particules alpha (Ep= 2 MeV). dosage par comparaison avec un témoin. diminution de la teneur en hydrogène. quantification par ERDA. séquence HfO2, ‘silicate’d’hafnium + SiO2, Si. augmentation de l’épaisseur de la couche d’oxyde (vue aussi par TEM). hydrogène de part et d’autre de l’interface. remontée de chlore à l’interface. épaisseur SiO2 = 2.5 nm après recuit à 800°C. AES PHI 670 Auger Nanoprobe suivi en profil de la transition Hf (NVV): HfO2 en surface et près de l’interface. sous oxyde HfOx au cœur du dépôt. HfOXSiy à l’interface ? à 800°C, liaisons Si-O à l’interface. TEM conclusions L’approche par caractérisations croisées est rendue nécessaire par la complexité des problèmes rencontrés lors des étapes de mise au point, en particulier l’évolution des couches en fonction des températures de dépôt et de recuit, mais aussi des traitements de surface préalables. La synthèse des résultats a permis une meilleure connaissance des propriétés intrinsèques du matériau high-k et de son interface avec l’oxyde sous-jacent. L’évolution déjà effective vers des couches sub-nanométriques nécessite l’adaptation des techniques présentes au laboratoire (ellipsométrie UV), voire le recours à des moyens extérieurs (rayonnement synchrotron). L’acquisition de nouveaux équipements, plus performants en terme de résolution en profondeur et spatiale mais aussi plus sensibles, doit être envisagée. Le laboratoire sera équipé d’ici 2 ans de la technique MEIS (Medium Energy Ion Scattering) et à plus long terme d’un équipement d’analyses d’extrême surface (UPS-XPS, AES, ISS, HREELS, ESD). HfO2 HfOx HfSixOy 155 160 165 170 175 180 185 Kinetic Energy (eV)